1、计算机辅助药物分子设计计算机辅助药物分子设计 计算机辅助分子设计是以计算机作为操计算机辅助分子设计是以计算机作为操作界面和辅助手段，利用计算化学、分作界面和辅助手段，利用计算化学、分子模拟和数理统计方法，构建具有预期子模拟和数理统计方法，构建具有预期药理活性的分子结构药理活性的分子结构 计算方法：分子力学、分子动力学和量计算方法：分子力学、分子动力学和量子化学计算方法子化学计算方法 分子图形显示：三维结构分子图形显示：三维结构计算机辅助药物分子设计 基于小分子结构的分子设计-间接方法 二维定量构效关系 三维定量构效关系 基于药效团的分子设计 基于大分子结构的分子设计-直接方法 数据库搜寻分子设
2、计 全新分子设计间接设计法和直接设计法间接设计法和直接设计法 间接设计法：是从研究一系列药物分子对同一间接设计法：是从研究一系列药物分子对同一受体的活性出发，比较它们的结构变化与生物受体的活性出发，比较它们的结构变化与生物活性之间的关系，找到对该受体能发生结合并活性之间的关系，找到对该受体能发生结合并产生活性的最普遍的结构因素，在计算机辅助产生活性的最普遍的结构因素，在计算机辅助下，设计新的活性分子。下，设计新的活性分子。 直接设计法：根据受体三维结构设计药物分子直接设计法：根据受体三维结构设计药物分子，将生物大分子的三维结构（，将生物大分子的三维结构（X-线晶体衍射、线晶体衍射、二维核磁共振
3、或同源蛋白构建法）在计算机上二维核磁共振或同源蛋白构建法）在计算机上模拟再现，设计是以互补性为设计为依据的。模拟再现，设计是以互补性为设计为依据的。 新化合物 活性 1 活性2 活性 3 活性 n 计算机 化合物 1 化合物 2 化合物 3 化合物 n 1 2 3 n 1 2n 3 Es Es Es Es 3 1 2n构效方程 反馈2D-QSAR-Hansch-藤田分析藤田分析lg 1/C = a lg P b (lg P)2 + m + nEs + Cn（样本数） r2 (相关系数) s（标准偏差）二维定量构效关系(2D-QSAR) Quantitative Structure-Activi
4、ty Relationship Hansch-藤田分析：用于先导物优化 物理化学参数表征化合物的整体性质和基团的电性、立体性和疏水性 作用机理相同 化合物骨架相同 用统计学方法筛选和确定参数及其权重 揭示作用机理预测未知化合物的活性三维定量构效关系三维定量构效关系(CoMFA) 三维定量构效关系：比较分子场分析法三维定量构效关系：比较分子场分析法( (CoMFA)CoMFA) 在受体结构未知情况下，根据系列化合物的三维结构的空间在受体结构未知情况下，根据系列化合物的三维结构的空间结构和电性特征所引起的势能场的分布同活性的定量变化规律，结构和电性特征所引起的势能场的分布同活性的定量变化规律，经统
5、计学处理，得出决定活性的势能场的分布图，本质上反映了经统计学处理，得出决定活性的势能场的分布图，本质上反映了受体对药物结合的空间和电性状况，用以指导并预测新化合物的受体对药物结合的空间和电性状况，用以指导并预测新化合物的活性活性 定量构效关系综合了药物结构的相似性和药物与受体结合的定量构效关系综合了药物结构的相似性和药物与受体结合的结构互补性两种策略方法结构互补性两种策略方法CoMFA 要点 生成三维结构-构象的能量最低化 分子叠合位点的确定 探针的选择 偏最小二乘法 等势图表示电性和立体性势能分布对活性的影响基于药效团的分子设计 化合物产生特定药理活性所必需的化学特征及其在空间的分布：性质、
6、距离 正电荷、负电荷、氢键给体和接受体、疏水中心、芳环质心 受体结构未知时，从一组活性化合物导出药效团 用程序在三维数据库中搜寻，比对符合药效团的分子药效团产生药效团产生:由已知化合物出发由已知化合物出发NOOONNOOHONNOOCH3NOOC3H7Zamifenacin : M3受体拮抗剂受体拮抗剂M3受体拮抗剂受体拮抗剂M1受体激动剂受体激动剂, M3受体拮抗剂受体拮抗剂M1受体激动剂受体激动剂, M3受体拮抗剂受体拮抗剂药效团建立药效团建立:用用DISCO程序产生程序产生H给予体H接收体H给予体N2.95.05.87.65.46.5AAAAAAH给予体H接收体H给予体N2.96.04.
7、16.65.45.5AAAAAA药效团模型药效团模型I药效团模型药效团模型II新化合物搜寻新化合物搜寻:用用UNITY程序程序ONCH3OCH3pA = 6.67ONHONOpA = 5.54NHNOOpA = 4.86-log IC50(mole/L)HIV蛋白酶抑制剂的药效团HIV蛋白酶抑制剂OOCHOOHOOH(CH2)5CH3H3C(H2C)5OHOHOOHOOHOHHOOOOOOONOOHOSO3HOHSO3H用上述药效团模型作为提问符从数据库中搜寻出2368个苗头分子，考虑到分子的多样性和疏水性对结合的重要贡献，从中选择出50种化合物进行体外筛选，发现一些化合物有较强的抑制活性，下
8、面化合物的IC50分别为0.32，0.75，2.0M 化学信息学 化学信息的组织、管理、检索和适用 组织管理形式：数据库 MDL系统、Beilstein系统、CA系统 分子结构的编码、描述和三维结构的构建化学信息的加工和处理计算组合化学分子的物理化学性质的预测结构信息：蛋白质三维数据库 结构信息主要来自结构信息主要来自X-线晶体衍射（固态）和核磁共振线晶体衍射（固态）和核磁共振的（液态）测定，的（液态）测定，X-线衍射尚不能解析膜蛋白的结构。线衍射尚不能解析膜蛋白的结构。电子衍射（电子衍射（electron diffraction）可对膜蛋白的结构提）可对膜蛋白的结构提供较低分辨率的信息。供较
9、低分辨率的信息。 如果没有蛋白三维结构的实验数据，可通过同源模建如果没有蛋白三维结构的实验数据，可通过同源模建（homology）方法建立蛋白质的三维结构。同源蛋白）方法建立蛋白质的三维结构。同源蛋白的氨基酸序列具有相似性，预示它们之间有相似的三的氨基酸序列具有相似性，预示它们之间有相似的三维空间结构，因为残基序列的较小改变不会引起构象维空间结构，因为残基序列的较小改变不会引起构象的显著变化。进行蛋白质同源模建时，序列的同源性的显著变化。进行蛋白质同源模建时，序列的同源性应在应在40%以上。以上。 蛋白质三维结构数据库最重要的是蛋白质三维结构数据库最重要的是Brookhaven蛋白数蛋白数据库
10、据库(Brookhaven Protein Databank, PDB)，库中每个，库中每个条目包括以下内容：正文、氨基酸序列、二级结构和条目包括以下内容：正文、氨基酸序列、二级结构和原子三维坐标。其中大多数蛋白质具有完全的三维坐原子三维坐标。其中大多数蛋白质具有完全的三维坐标，有些蛋白质只有骨架坐标，库中有近标，有些蛋白质只有骨架坐标，库中有近3000个蛋白个蛋白质三维结构质三维结构 。结构信息：小分子数据库 小分子化合物的三维结构主要存于剑桥数据库小分子化合物的三维结构主要存于剑桥数据库（Cambridge Structure Databank, CSD）中，）中，大都是用大都是用X-线或
11、中子衍射方法测定的有机化合线或中子衍射方法测定的有机化合物、有机金属化合物或有机配体与金属生成的物、有机金属化合物或有机配体与金属生成的复合物结构，至少已有复合物结构，至少已有15万个化合物，其中绝万个化合物，其中绝大多数具有三维结构的原子坐标。在大多数具有三维结构的原子坐标。在CSD中每中每一个条目包含有三种信息：一个条目包含有三种信息：(1)正文：包括化合正文：包括化合物名称，作者，参考文献，晶胞大小和空间群物名称，作者，参考文献，晶胞大小和空间群等；等；(2)连接性：包括二维化学结构式和化学连连接性：包括二维化学结构式和化学连接表，如元素符号，键型和表面电荷等；接表，如元素符号，键型和表
12、面电荷等；(3)三三维结构：包括原子坐标、晶胞参数、空间群对维结构：包括原子坐标、晶胞参数、空间群对称性、共价键半径以及由这些半径构成的结晶称性、共价键半径以及由这些半径构成的结晶连接性等连接性等 结构信息：小分子数据库 由二维库生成三维库由二维库生成三维库 法人库是公司或单位自己制备和累积的化合物法人库是公司或单位自己制备和累积的化合物库。这些库起初是按照硬拷贝形式登录，以后库。这些库起初是按照硬拷贝形式登录，以后转换为电子输入和表达形式，包括化学拓扑结转换为电子输入和表达形式，包括化学拓扑结构（构（chemical topology）、键型（）、键型（bond type）和手性（和手性（c
13、hirality）等，由于这类库是由药物）等，由于这类库是由药物化学家和药理学家长期研究和积累的结果，库化学家和药理学家长期研究和积累的结果，库中既实际存放有化合物样品，也有生物学数据，中既实际存放有化合物样品，也有生物学数据，因此对于药物分子设计的用途是很大的。因此对于药物分子设计的用途是很大的。 基于受体结构的分子设计 是一种理念和方法，以受体结构为出发点，是一种理念和方法，以受体结构为出发点，应用计算机技术，探索设计新药的普遍原应用计算机技术，探索设计新药的普遍原理，从而有别于传统药物化学的简单模拟理，从而有别于传统药物化学的简单模拟或合成化学家的思辨方式。它是根据生物或合成化学家的思辨
14、方式。它是根据生物大分子的三维结构大分子的三维结构“生长生长”出与结合位点出与结合位点相适配的小分子结构，这种方法又称做全相适配的小分子结构，这种方法又称做全新分子设计（新分子设计（de novo drug design）；或）；或者用分子对接者用分子对接(DOCK)的方法在数据库中搜的方法在数据库中搜寻出与结合位点相适配的分子。寻出与结合位点相适配的分子。 基于受体结构的分子设计依据基于受体结构的分子设计依据和要点和要点 受体所识别的不是配体的整个化学结构或原子受体所识别的不是配体的整个化学结构或原子位置。受体与配体的分子识别，涉及分子间作位置。受体与配体的分子识别，涉及分子间作用力。配体（
15、或药物）的亚结构的物理化学性用力。配体（或药物）的亚结构的物理化学性质及其在空间的分布，是分子间相互作用的必质及其在空间的分布，是分子间相互作用的必要条件。这些性质以及分子间的接触表面，应要条件。这些性质以及分子间的接触表面，应当是互补性的，其中氢键的形成是分子识别的当是互补性的，其中氢键的形成是分子识别的重要因素，因为氢键具有方向性，并在一定的重要因素，因为氢键具有方向性，并在一定的距离内发生作用。静电引力与氢键作用不同，距离内发生作用。静电引力与氢键作用不同，它没有方向性，而且是长程作用它没有方向性，而且是长程作用 基于受体结构的分子设计依据基于受体结构的分子设计依据和要点和要点 具有完全
16、不同化学结构的药物可与受体具有完全不同化学结构的药物可与受体的同一部位相结合。许多实例证明，具的同一部位相结合。许多实例证明，具有不同结构类型的化合物，可与同一酶有不同结构类型的化合物，可与同一酶或受体发生竞争性结合作用，这已用放或受体发生竞争性结合作用，这已用放射性同位素标记配体结合实验得到证实。射性同位素标记配体结合实验得到证实。 基于受体结构的分子设计依据基于受体结构的分子设计依据和要点（举例）和要点（举例）基于受体结构的分子设计依据基于受体结构的分子设计依据和要点和要点 上述三对化合物的类型不同，但它们的上述三对化合物的类型不同，但它们的三维结构形状和物理化学性质如氢键的三维结构形状和
17、物理化学性质如氢键的形成，电性分布以及疏水作用等是相似形成，电性分布以及疏水作用等是相似或相同的，因而在形状与性质上与受体或相同的，因而在形状与性质上与受体结合部位有互补性结合部位有互补性 基于结构的分子设计基于结构的分子设计（structure-based drug design） 通常可分两种方法：三维结构数通常可分两种方法：三维结构数据库搜寻法和全新设计法。据库搜寻法和全新设计法。 基于数据库搜寻的分子设计基于数据库搜寻的分子设计 在基于受体结构的分子设计中，用数据在基于受体结构的分子设计中，用数据库搜寻方法发现先导化合物是最常用的库搜寻方法发现先导化合物是最常用的技术，其中分子对接（技
18、术，其中分子对接（DOCK）是一种）是一种重要的方法。分子对接是通过模拟药物重要的方法。分子对接是通过模拟药物分子与受体结合部位相互作用并评价结分子与受体结合部位相互作用并评价结合的优劣来进行药物分子设计的。合的优劣来进行药物分子设计的。 分子对接分子对接 药物或配体分子与受体的结合是个复杂药物或配体分子与受体的结合是个复杂过程，包括受体与配体分子的去溶剂化，过程，包括受体与配体分子的去溶剂化，构象的变化和两者之间的相互作用等。构象的变化和两者之间的相互作用等。药物与受体的结合强度取决于结合的自药物与受体的结合强度取决于结合的自由能变化（由能变化（G结合结合），结合的自由能变化），结合的自由能
19、变化与药物与药物-受体复合物的离解常数的对数成受体复合物的离解常数的对数成线性关系：线性关系： G结合结合 -2.303 R T log Ki 分子对接分子对接分子对接包括以下步骤：分子对接包括以下步骤：确定受体三维结构数据；确定受体三维结构数据；定义配体与受体结合的几何形状；定义配体与受体结合的几何形状；确定评分系统，评价结合作用的强弱优确定评分系统，评价结合作用的强弱优劣；劣；分子对接；分子对接；结果分析与处理结果分析与处理 用用DOCK程序中的程序中的SPHGEN模块，将受模块，将受体表面上所存在的凹陷部分用球填充，体表面上所存在的凹陷部分用球填充，形成形成“负片负片”，然后通过知识和经
20、验选，然后通过知识和经验选定可能的结合区域。无论从复合物结构定可能的结合区域。无论从复合物结构或者估计出的结合位点，都要通过形成或者估计出的结合位点，都要通过形成负片来勾勒出结合部位的三维结构。负片来勾勒出结合部位的三维结构。 分子对接分子对接在活性部位填充不同直径的球以生成活性部位的负片在数据库中搜寻获取配体候选物量取并比兑球心和配体原子间距离将配体置于活性部位, 用评分函数评价相互作用, 变换配体的方向计算得分, 每个化合物重复一万次, 高评分的化合物为候选物基于受体结构的全新药物设计基于受体结构的全新药物设计对接与评分对接与评分 分子对接的评分系统用来评定配体与受体相互分子对接的评分系统
21、用来评定配体与受体相互作用的优劣，高分值作为入选化合物，低分值作用的优劣，高分值作为入选化合物，低分值不予入选。评分系统分三种：不予入选。评分系统分三种： 一是判断配体与受体活性部位几何形状的匹配一是判断配体与受体活性部位几何形状的匹配情况，通常用情况，通常用Contact模块实现；模块实现； 二是与受体活性部位的电性作用的匹配，用二是与受体活性部位的电性作用的匹配，用Delphi模块计算；模块计算； 三是计算配体与受体的相互作用自由能的变化，三是计算配体与受体的相互作用自由能的变化，用用Force Field模块计算，能量越低，表示匹配模块计算，能量越低，表示匹配越好。越好。后处理后处理 对
22、接操作的后处理是按照得分的大小进行整理，对接操作的后处理是按照得分的大小进行整理，如果得分函数可靠、而且对接操作合理，则得如果得分函数可靠、而且对接操作合理，则得分最高的化合物甚至不必进一步计算验证，可分最高的化合物甚至不必进一步计算验证，可直接进行生物学评价。但在实际操作中往往需直接进行生物学评价。但在实际操作中往往需要对前要对前300个高得分的化合物用分子图形表示个高得分的化合物用分子图形表示出来，由药物化学家对化合物逐个甄别，内容出来，由药物化学家对化合物逐个甄别，内容包括配体的构象、配体如何对接到受体结合部包括配体的构象、配体如何对接到受体结合部位，配体与受体之间有什么样的相互作用，以
23、位，配体与受体之间有什么样的相互作用，以及配体的化合物类型等。在化学上，要判断分及配体的化合物类型等。在化学上，要判断分子的溶解性、化学稳定性、代谢稳定性、潜在子的溶解性、化学稳定性、代谢稳定性、潜在毒性以及合成的难易程度等。毒性以及合成的难易程度等。药物化学家的知药物化学家的知识积累、经验和直觉对这种干预是非常重要的识积累、经验和直觉对这种干预是非常重要的。 数据库搜寻数据库搜寻 DesJarlais 等设计等设计HIV-1蛋白酶抑制剂，蛋白酶抑制剂，用分子对接在剑桥晶体库进行搜寻，找用分子对接在剑桥晶体库进行搜寻，找到高评分的氟哌啶醇到高评分的氟哌啶醇(Haloperidol)及其及其类似
24、物羟哌啶醇类似物羟哌啶醇(Hydroxyperidol)，它们，它们能够很好地结合于腔穴中。后经试验证能够很好地结合于腔穴中。后经试验证明，这两个抗抑郁药对明，这两个抗抑郁药对HIV-1和和HIV-2蛋蛋白酶有强效抑制作用白酶有强效抑制作用全新药物分子设计全新药物分子设计 基本原理：以配体与受体活性中心的表面及它基本原理：以配体与受体活性中心的表面及它们之间重要基团的相互作用作为产生配体分子们之间重要基团的相互作用作为产生配体分子的根据。配体分子在受体活性部位的定位，是的根据。配体分子在受体活性部位的定位，是其原子或基团与受体的重要基团相结合。配体其原子或基团与受体的重要基团相结合。配体的结合
25、点一旦确定后，设计产生结构的原子或的结合点一旦确定后，设计产生结构的原子或基团应对应于受体的结合点，并且与受体活性基团应对应于受体的结合点，并且与受体活性部位的形状和功能基分布呈互补性。由于产生部位的形状和功能基分布呈互补性。由于产生的分子不限于已存在化合物，也不限于配体的的分子不限于已存在化合物，也不限于配体的类似物，因而会有新型和完全新颖的结构。此类似物，因而会有新型和完全新颖的结构。此外，根据限制的程度，可以产生数量不同的先外，根据限制的程度，可以产生数量不同的先导结构。这样，凡是能够与受体部位结合的分导结构。这样，凡是能够与受体部位结合的分子都可能生成，因而可满足分子多样性的要求。子都
26、可能生成，因而可满足分子多样性的要求。全新分子设计的程式全新分子设计的程式 确定相互作用位点；确定相互作用位点； 产生新结构；产生新结构； 对产生的结构打分、分级和分类。对产生的结构打分、分级和分类。 实际操作中结构随着生成，随着打分，实际操作中结构随着生成，随着打分，并只保留高分值的结构。并只保留高分值的结构。基于受体结构的分子设计基于受体结构的分子设计OONHHOOOHOONHHOOOHOONHHOOOHOONHH氢键接受体 或盐键氢键给体 或盐键疏水区受体三维结构确定结合位点分子对接全新设计片断连接评价相互作用基于受体结构的组合化学库的设计受体-配体复合物 三维结构设计新分子 的骨架选定
27、骨架的 反应位点选定可生成骨架 的组建模块构建虚拟库分子对接打分和评比化学合成活性评价虚虚 拟拟 筛筛 选选 在数据库筛选中，同时评价化合物的药代动力在数据库筛选中，同时评价化合物的药代动力学行为，毒理学性质，物理化学性质，以及与学行为，毒理学性质，物理化学性质，以及与受体蛋白的结合作用等。这样苗头（受体蛋白的结合作用等。这样苗头（hits）的）的化合物，会更近于药物。化合物，会更近于药物。 用计算机进行的结构筛选，类似于将数据库中用计算机进行的结构筛选，类似于将数据库中大量的化合物进行选择性大量的化合物进行选择性“过滤过滤”，通过对物，通过对物化性质、吸收分布代谢排泄、毒理性质等性质化性质、吸收分布代谢排泄、毒理性质等性质的层层的层层“滤片滤片”，将不适于药用的化合物，在，将不适于药用的化合物，在早期阶段被排除在研究考虑的范围之外。早期阶段被排除在研究考虑的范围之外。
